Alex O'Loughlin est né à Canberra mais a grandi à Sydney. Son père est professeur de physique et sa mère est infirmière. Ils se séparent lorsqu'il a deux ans. Dès l'âge de 10 ans il fait des va-et-vient entre les deux villes (Canberra et Sydney). Il commence sa carrière au cinéma en 2004, en jouant le rôle de Jack Flange dans The Oyster Farmer. L'année suivante, il retourne sur le grand écran et joue le rôle de Michael Carter dans le film Feed, dont il est également co-producteur et scénariste. Cette même année le film Man-Thing est sorti au cinéma, Alex O'Loughlin y interprète le rôle du député Eric Fraser. Son rôle le plus récent au cinéma est celui de Marcus Bohem dans le film The Invisible, sorti en 2007. Il a joué dans le film August Rush, sorti aussi en 2007, dans le rôle de Marshall. Alex a joué le rôle de Will Bryant dans la mini-série australienne : The Incredible Journey of Mary Bryant. Il s'est aussi fait connaître à travers la série The Shield dans le rôle du détective Kevin Hiatt. En 2007, il tient le rôle principal de la série Moonlight, qui n'aura duré qu'une saison. On peut le voir à l'affiche des films Whiteout, aux côtés de Kate Beckinsale, ainsi que Le Plan B aux côtés de Jennifer Lopez.
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“ #LePlanB : Rien d'extraordinaire mais cette comédie à le pouvoir de nous divertir et nous faire rire ;) Et aussi baver sur Alex O'Loughlin. ”— TheRealMicky14725 octobre 2013
“ J'ai accepté de voir ce film à cause d'Alex O'Loughlin que j'aime dans Hawaii 5-0. J'aurai du m'en rester à la série bien plus divertissant. ”— sevenart20 avril 2013
“ Conte de fées en forme d'orgie gerbante de bons sentiments avec mariage à la clé, Le Plan B est sûrement à réserver aux femmes enceintes... ”— juliendg13 juin 2011
“ "The Shield", ou le bras d'honneur ultime aux séries policières. Oppressante, captivante, sévèrement burnée. "(Se) protéger et (se) servir" ”— WeOwnTheNight 8 mai 2014